ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ВАКУУМНО-ДУГОВОГО НАПЫЛЕНИЯ НА ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ ПОКРЫТИЙ

Одним из важных направлений развития современного горного машиностроения является повышение эксплуатационных свойств ответственных деталей и узлов [2]. Значительное количество работ направлено на повышение износостойкости и снижение потерь на трение, что во многих случаях решается применением износостойких покрытий, в том числе получаемых методом вакуумно-дугового напыления [4].

Метод вакуумно-дугового напыления (ВДН) позволяет широко варьировать структуру формирующихся покрытий за счет изменения давления в рабочей камере и потенциала, подаваемого на подложку [1]. Смена технологических режимов приводит к изменениям в плотности покрытий, а также в соотношении между карбидом титана и отдельными элементами. Очевидно, что подобные структурные преобразования должны оказывать влияние на износостойкость получаемых покрытий.

В настоящей работе оценивается износостойкость карбидо - титановых покрытий (КТ-покрытий), получаемых методом ВДН, при высоких контактных давлениях при трении со смазкой.

Для создания высоких контактных давлений была применена схема контакта двух цилиндрических образцов, один из которых закреплен неподвижно, а второй приводится во вращение с постоянной скоростью. При этом в начальный момент времени контакт образцов осуществляется по линии. Экспериментальные исследования проводили на машине трения СМЦ-2. Исследуемый неподвижный образец – ролик изготавливался из стали 20 и имел диаметр 46 мм. Для нанесения КТ-покрытия на образец использовалась модернизированная установка вакуумного ионно-плазменного напыления ВУ-1Б. Вращающийся ролик диаметром 46 мм не имел покрытия и изготавливался из стали 45 с последующей закалкой (42…45 HRC). Формирование покрытия проводили при двух уровнях давления 0,17 Па и 0,27 Па и четырех уровнях потенциала на подложке – 50, 100, 150 и 200 В. Толщина покрытия составляла 6…10 мкм. Для смазки узла трения применялась масляная ванна объемом 200 см³, в которую частично (на 2 мм) погружался вращающийся ролик. В качестве смазочной среды применялось индустриальное масло И-40А.

Для оценки сравнительной износостойкости КТ-покрытий при высоких давлениях были также испытаны образцы из стали 40Х без закалки (28…32 HRC) и с закалкой (42…45 HRC). Исследование износостойкости проводилось при двух уровнях нагрузки 50 и 500 Н. Время эксперимента определялось полным износом покрытия и находилось в пределах от 1 мин до 7 ч. Отдельная экспериментальная точка определялась из трех-четырех опытов, при этом среднеквадратичная погрешность результатов не превысила ±15%.

Для оценки износостойкости в работе использовалась величина удельной скорости изнашивания K, которая в общем виде находилась из выражения [3]:

                                              (1),

где:  – приращение объемного износа на пути трения ; F – нагрузка.

Как показала обработка экспериментальных данных, при нагрузке 50 Н величина К не зависит от пути трения и поэтому для ее вычисления могут использоваться величины объемного износа непосредственно от начала эксперимента.

Для нагрузки 500 Н величина К зависит от пути трения. На первом этапе (в течение 1-3 мин) наблюдается интенсивное изнашивание, которое затем постепенно снижается. В этом случае коэффициент износа имеет различные значения на первом и втором этапах. Для вычисления К по формуле (1) на первом этапе берутся величины V и L от начала опыта до точки перегиба. На втором этапе определяются величины , для которых точка перегиба является началом отсчета.

На рис. 1 приведены данные по износостойкости хромистой стали и КТ-покрытий, нанесенных при давлениях 0,17 Па (TiC 1) и 0,27 Па (TiC 2) при напряжениях в подложке 200 В. Видно, что КТ-покрытия хорошо защищают поверхности от изнашивания при относительно высоких контактных давлениях. Кроме того, можно сделать вывод, что износостойкость КТ-покрытий сильно зависит от давления в камере при нанесении покрытия. Покрытие, наносимое при более высоком давлении, имеет и существенно более высокую износостойкость. В связи с этим для последующих испытаний по влиянию потенциала электрода образцы изготавливались при давлении в камере 0,27 Па.

Рисунок 1. Сравнительная износостойкость материалов и покрытий: 1 – сталь 40Х, 2 – сталь 40Х после закалки, 3 – TiC 1, 4 – TiC

Исследования зависимости удельной скорости изнашивания КТ-покрытий от потенциала на подложке при нагрузке 50 Н (рис. 2, кривая 2) показывают, что величина K имеет минимум при напряжении 150 В. Это, по-видимому, определяется плотностью покрытия и его адгезионной прочностью.

Рисунок 2. Зависимость удельной скорости изнашивания КТ-покрытий от потенциала на подложке: 1, 3 – F=500 Н, 2 - F=50 H

Испытания при нагрузке 500 Н показали, что существует зависимость удельной скорости изнашивания КТ-покрытий от времени испытаний (пути трения). Кривая 1, построенная по измерениям объемного износа за время, равное 1-3 мин от начала испытаний, показывает, что при больших нагрузках в начальные моменты времени происходит интенсификация процесса изнашивания, выражающаяся в росте величины К по сравнению с данными, полученными при нагрузке 50 Н. По-видимому, это связано с существованием в первоначальный момент металлического контакта контртел.

После измерений объемного износа за время 1-3 мин испытания были продолжены до достижения линейного износа, близкого по величине к толщине покрытия. После этого находили разницу между объемными износами и определяли соответствующую величину К. Полученные результаты (рис. 2, кривая 3) показывают, что после начального интенсивного изнашивания происходит переход к граничному трению, при котором удельная скорость изнашивания заметно ниже, чем при нагрузке 50 Н.

Таким образом, при нагрузке 500 Н по сравнению с нагрузкой 50 Н наблюдается интенсивная приработка покрытия. Однако при тех и других условиях сохраняется существенная разница в износостойкости покрытия, наносимых при напряжениях на подложке 50-100 и 150-200 В.

Из рис. 3 видно, что критическое давление заметно выше для КТ-покрытий, сформированных при потенциалах подложки 150 и 200 В, и достигает величины порядка 110 МПа. Как показали исследования, имеет место существенная зависимость критического давления р_с от действующей нагрузки.

Рисунок 3. Зависимость критического давления для КГ-покрытий, сформированных при различных потенциалах:

1 – U=50 B, 2 – U=100, 3 – U=150, 4 – U=200B

Таким образом, в результате проведенных исследований выбраны технологические режимы ВДН для формирования оптимальных по износостойкости КТ-покрытий, рассмотрены некоторые особенности изнашивания таких покрытий при больших и малых нагрузках.

Список литературы:

1. Буров И.В. Современное состояние и перспективы развития технологии вакуумного дугового нанесения износостойких покрытий / И.В. Буров, А.А. Лисенков // Вакуумная техника и технология. 2002. Т. 12, № 1. С.55-60.
2. Гилев А.В. Основы эксплуатации горных машин и оборудования / А.В. Гилев, В.Г. Чесноков, Н.Б. Лаврова и др. Красноярск, Сиб. федер. ун-т. 2011. 276 с.
3. Дроздов Ю.Н. Прикладная трибология (трение, износ и смазка)/ Ю.Н. Дроздов, Е.Г. Юдин, А.И. Белов – М.: Изд-во «Эко-Пресс», 2010. 604 с.
4. Дюргеров Н.Г. Технологические методы восстановления и повышения износостойкости деталей машин / под. ред. В.И. Колесникова - Ростов н/Д, 2006. Ч.1 – 124 с. Ч.2 – 184 с.